烟气轮机叶片热腐蚀测试

烟气轮机叶片热腐蚀测试是评估叶片材料（如高温合金、陶瓷涂层）在高温烟气环境（含硫、钒、钠等腐蚀性成分）中抵抗热腐蚀损伤能力的实验，旨在模拟烟气轮机（用于石油炼化、煤化工等领域回收烟气能量的关键设备）运行时，叶片因高温（通常 500-1000℃）和腐蚀性介质共同作用产生的氧化、硫化、熔盐腐蚀等失效现象，为叶片材料选择、涂层优化及使用寿命预测提供依据。

以下从测试原理、主要类型、操作流程、评估指标及关键影响因素等方面详细介绍：

一、测试核心原理

烟气轮机叶片的热腐蚀是高温氧化与的协同作用：

：叶片材料在高温下与烟气中的 O₂反应，形成氧化膜（如 Cr₂O₃、Al₂O₃），若氧化膜疏松或易剥落，会导致基材持续腐蚀。

化学腐蚀：烟气中的腐蚀性成分（如 SO₂、H₂S、V₂O₅、NaCl 等）在高温下形成低熔点熔盐（如 Na₂SO₄-V₂O₅，熔点约 600℃），附着在叶片表面并渗透到氧化膜中，破坏氧化膜的保护性，加速基材腐蚀（如硫化形成 Ni₃S₂、钒化形成 Ni₃V₂O₈等脆性相）。

热腐蚀测试通过模拟上述环境，加速腐蚀过程，评估材料或涂层在高温腐蚀环境下的抗损伤能力。

二、主要测试类型

根据模拟环境的不同，常见测试类型包括：

1. 熔融盐腐蚀测试（最常用）

原理：将叶片样品浸泡或涂覆模拟烟气中腐蚀性熔盐（如 Na₂SO₄-25% V₂O₅混合盐，模拟硫钒腐蚀），在高温下（如 650-900℃）保温，评估熔盐对材料的腐蚀速率。

特点：针对性模拟烟气中低熔点盐的侵蚀，适用于评估叶片涂层（如 MCrAlY 涂层）的抗熔盐性能。

2. 燃气腐蚀测试

：在管式炉或燃烧装置中通入含硫、钒、钠的模拟烟气（如丙烷燃烧时混入 H₂S、NaCl 蒸汽），控制温度和气体组分，模拟实际烟气环境。

适用场景：更接近真实运行条件，用于评估叶片材料在复杂燃气氛围中的综合抗腐蚀能力。

3. 热循环腐蚀测试

：在高温腐蚀（如 800℃）与室温（或低温）之间进行循环（如升温至 800℃保温 1 小时，降温至 25℃保温 30 分钟，重复多次），评估材料在热应力与腐蚀协同作用下的性能。

：模拟叶片启停过程中的温度波动，重点考察氧化膜 / 涂层的抗剥落能力。

三、核心测试指标

腐蚀速率

重量法：通过腐蚀前后样品的质量损失计算，公式：\(v = \frac{m_0 - m_t}{S \cdot t}\)（\(m_0\)为初始质量，\(m_t\)为腐蚀后质量，S为表面积，t为时间），单位：g/(m²・h) 或 mm / 年。

深度法：用显微镜测量腐蚀坑的最大深度或平均腐蚀深度，评估局部腐蚀严重程度。

氧化膜 / 涂层性能

氧化膜完整性：通过扫描电镜（SEM）观察氧化膜是否出现裂纹、剥落，或被熔盐渗透的痕迹。

涂层结合力：热循环后，用划痕试验或拉伸试验评估涂层与基材的结合力（如涂层剥落面积≤5% 为合格）。

力学性能变化

测试腐蚀后叶片材料的高温拉伸强度、冲击韧性，与初始值对比（如强度损失率≤15%）。

关注是否因腐蚀产生脆性相（如硫化物、钒化物）导致材料脆化。

微观结构分析

用 X 射线衍射（XRD）分析腐蚀产物成分（如是否生成保护性 Cr₂O₃，或有害的 Ni₃S₂）；

用能谱仪（EDS）分析腐蚀界面的元素分布，判断元素扩散或熔盐渗透路径。

四、实验设备与样品准备

1. 核心设备

高温管式炉 / 箱式炉：可控制温度（室温 - 1200℃，精度 ±1℃），带气氛控制功能（通入氮气、模拟烟气等）。

熔融盐制备装置：分析天平（精度 0.0001g）、研钵（混合盐粉）、马弗炉（熔融盐固化）。

表征设备：SEM（观察腐蚀形貌）、XRD（分析腐蚀产物）、EDS（元素分析）、电子天平（测质量损失）。

热循环装置：程序控温炉（支持快速升降温，速率 5-10℃/min）。

2. 样品准备

选取叶片材料或涂层样品（如镍基高温合金 GH4169、带 MCrAlY 涂层的样品），加工成尺寸统一的试样（如 10mm×10mm×2mm，保留一面为测试面）。

预处理：用砂纸打磨测试面至镜面（去除氧化皮），酒精清洗后烘干，称重并记录初始尺寸、表面形貌。

熔盐涂覆（针对熔融盐测试）：将配制好的熔盐（如 Na₂SO₄-V₂O₅）溶于水或乙醇，均匀涂覆在样品表面（涂层厚度约 1-5mg/cm²），晾干后备用。

五、典型操作流程（以熔融盐腐蚀测试为例）

1. 熔盐配制

按比例称取 Na₂SO₄（分析纯）和 V₂O₅（分析纯），在研钵中混合均匀，配制成目标组分（如 75% Na₂SO₄+25% V₂O₅）。

若需熔融状态涂覆，可将混合盐在马弗炉中加热至 600℃熔融，冷却后粉碎备用。

2. 高温腐蚀试验

将涂覆熔盐的样品放入刚玉坩埚，置于管式炉中，通入惰性气体（如 Ar）排除空气（避免干扰），升温至目标温度（如 750℃），保温规定时间（如 100 小时）。

对于热循环测试：设置程序升温至 750℃（10℃/min），保温 1 小时，再降温至 25℃（5℃/min），保温 30 分钟，重复 50 次循环。

3. 腐蚀后处理与分析

样品冷却后，用去离子水或稀盐酸（10%）清洗表面残留熔盐（避免继续腐蚀），烘干后称重，计算质量损失。

用 SEM 观察腐蚀表面形貌（如是否有腐蚀坑、氧化膜剥落），截面分析氧化膜厚度及渗透情况。

用 XRD 鉴定腐蚀产物（如是否生成 V₂O₅、Na₃VO₄等熔盐化合物，或 NiO、Cr₂O₃等氧化产物）。

六、影响测试结果的关键因素

材料与涂层特性

基材成分：镍基高温合金中 Cr、Al 含量越高，越易形成致密氧化膜（Cr₂O₃、Al₂O₃），抗腐蚀性能越好；含 Mo、W 等元素可提升抗硫化能力。

涂层类型：MCrAlY（M=Ni、Co）涂层通过形成 Al₂O₃氧化膜提供保护，涂层厚度（如 100-300μm）和致密度直接影响抗腐蚀效果；陶瓷涂层（如 YSZ）抗高温性能好，但脆性较高，易在热循环中开裂。

腐蚀环境参数

温度：温度升高（如超过 700℃）会加速熔盐熔融和元素扩散，腐蚀速率显著增加（通常温度每升高 100℃，速率提升 2-3 倍）。

熔盐组分：V₂O₅含量越高（如＞25%），熔盐熔点越低，腐蚀性越强；Na⁺的存在会促进熔盐渗透，加剧腐蚀。

气体氛围：烟气中 O₂含量高会加速氧化，H₂S 浓度高则促进硫化腐蚀，需根据实际烟气成分调整。

热循环条件

升降温速率：速率过快（如＞10℃/min）会导致材料与涂层因热膨胀系数差异产生大应力，加速氧化膜剥落。

循环次数：超过临界次数后，涂层可能因疲劳失效，腐蚀速率骤增。

七、应用场景与标准依据

主要应用领域

石油炼化：催化裂化装置的烟气轮机叶片，需耐受含硫、钒的高温烟气（600-800℃）；

煤化工：煤气化烟气轮机叶片，抵抗含硫、氯的腐蚀环境；

电力行业：垃圾焚烧发电烟气轮机，应对含碱金属（Na、K）的高温腐蚀。

参考标准

ASTM G91-97 (2020)《熔融盐腐蚀试验标准指南》

ISO 8044:2018《金属和合金的腐蚀 术语和定义》（含热腐蚀相关术语）

GB/T 15164-1994《热喷涂操作安全》（涉及涂层制备安全）

高温腐蚀测试常用标准：

八、注意事项

高温安全：操作高温炉时需佩戴隔热手套、护目镜，避免直接接触炉壁或样品（温度可达 1000℃以上）；样品取出后需置于耐高温容器中冷却，避免骤冷炸裂。

化学防护：熔盐（如 V₂O₅）具有毒性和刺激性，配制时需在通风橱中操作，佩戴防毒面具；废液需按危险品处理，不可随意排放。

设备校准：定期校准高温炉温度（误差≤±2℃），确保腐蚀条件稳定；天平需每年校准，保证质量测量精度。

平行试验：每组测试需至少 3 个平行样，取平均值以减少误差；若样品腐蚀不均匀（如局部点蚀），需增加取样量。

烟气轮机叶片热腐蚀测试是保障设备长期稳定运行的关键技术手段，通过模拟极端高温腐蚀环境，可有效评估材料和涂层的抗腐蚀性能，指导叶片选材（如选择高 Cr、Al 合金）、涂层优化（如增厚 MCrAlY 涂层）及运维策略（如定期检查涂层完整性），从而降低因叶片腐蚀导致的停机风险，在能源化工领域具有重要的工程价值。